DE19539364A1

DE19539364A1 - Epitaxiale Struktur für eine Licht emittierende GaP-Diode

Info

Publication number: DE19539364A1
Application number: DE19539364A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yoshinaga
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2015-10-24
Also published as: JP3624451B2; JPH08255925A; US5895706A; TW306016B; DE19539364C2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen epitaxialen Aufbau für Licht emittierende GaP-Dioden.

Ein epitaxialer Aufbau für eine Licht emittierende Diode wird normalerweise erhalten, indem eine Vielzahl von Halblei terschichten auf einem Halbleitersubstrat epitaxial wachsen gelassen werden, um einen p-n-Übergang zu bilden. In einem epitaxialen Aufbau für eine grünes Licht emittierende Diode, die Galliumphosphid (GaP) verwendet, wird eine aktive Schicht gebildet, in dem n-Typus- und p-Typus-GaP-Schichten auf einem GaP-Einzelkristallsubstrat des n-Typus wachsen ge lassen werden, und, um eine hohe Elektrolumineszenzeffizienz zu erhalten, wird normalerweise Stickstoff verwendet, der in eine GaP-Schicht des n-Typus dotiert wird. Während die Elek trolumineszenzeffizienz von grünes Licht emittierenden GaP- Dioden zu einem gewissen Ausmaß durch diese Verwendung eines Stickstoffdotiermittels verbessert worden ist, hat es einen Bedarf nach noch höhere Elektrolumineszenzeffizienzniveaus für Anwendungen wie beispielsweise große Anzeigen zum Frei luftgebrauch gegeben. Nicht nur für epitaxiale Aufbauten für Licht emittierende GaP-Dioden, sondern für epitaxiale Auf bauten für Licht emittierende Dioden im allgemeinen ist die Verbesserung der Kristallinität von Schlüsselbedeutung zur Realisierung hoher Elektroluminenszenzeffizienz. Jedoch wei sen insbesondere Licht emittierende GaP-Dioden einen Emis sionsmechanismus des indirekten Typus auf, der eine geringe Emissionseffizienz zur Folge hat und diese Licht emittieren den Dioden auf den Einfluß der Kristallinität empfindlich macht.

Ein in weitem Maße verwendeter Index der Kristallinität ist die Ätzgrubendichte (EPD) der Kristalloberfläche. Dies ist ein Evaluierungsverfahren, das die Grübchen verwendet, die genau bei Kristalldefektteilen durch ein spezifisches Ätz fluid gebildet werden. Mit Bezug auf GaP wird die EPD als ein Zählwert der Anzahl von Grübchen pro Quadratzentimeter Oberfläche erhalten, die durch ein Ätzverfahren gebildet wer den, das als Richard & Crocker-Ätzung (RC-Ätzung) bekannt ist.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Substrat-EPD und der Emissionseffizienz der LED, die auf dem Substrat gebil det ist. Aus Fig. 3 kann es gesehen werden, daß die Emis sionseffizienz der LED dazu neigt, umso höher zu sein, je geringer das Substrat hinsichtlich der EPD ist. Als solches läuft das Entwickeln eines epitaxialen Aufbaus für eine Licht emittierende GaP-Diode hoher Elektrolumineszenzeffi zienz darauf heraus, ein Substrat mit einem geringen EPD- Wert zu entwickeln.

Jedoch wird es, während es verschiedene Verfahren des Her stellens eines GaP-Einzelkristallsubstrates gibt, im allge meinen schwierig sein, das EPD zu verringern. Statt dessen offenbart JP-B-HEI-2-18319 beispielsweise ein Verfahren des Verringerns des Effektes des EPD. In Übereinstimmung mit dem Verfahren wird in dem epitaxialen Wachstumssystem das GaP- Substrat mit der Schmelze zuerst kontaktiert, um eine GaP- Schicht des n-Typus (im nachfolgenden als die "n₀-Schicht" bezeichnet) auf dem GaP-Substrat durch ein supergekühltes Wachstumsverfahren zu bilden. Das Substrat wird dann von der Schmelze getrennt und die Temperatur des epitaxialen Wachs tumssystems wird wieder angehoben, das Substrat, auf welchem die n₀-Schicht wachsen gelassen worden ist, wird mit einer frischen Schmelze als ein Ausgangsmaterial kontaktiert und die Temperatur wird weiter angehoben, die n₀-Schicht kehrt zu einer Schmelze zurück, worauf nachfolgend ein normales Verfahren verwendet wird, um einen p-n-Übergang herzustel len, indem eine andere n-Schicht gebildet wird (im nachfol genden als die "n₁-Schicht" bezeichnet), eine n-Schicht, in welche Stickstoff dotiert wird (im nachfolgenden als die "n₂-Schicht" bezeichnet), und eine p-Schicht, in welcher Zink als ein Dotierungsmittel verwendet wird, und zwar in einer kontinuierlichen epitaxialen Wachstumsoperation. In diesem Verfahren trägt die n₀-Schicht, die in der ersten Hälfte des Prozesses wachsen gelassen wird, nicht direkt zur Lichtemission bei. Die Offenbarung lehrt, daß alles oder ein Teil der n₀-Schicht zurückgeschmolzen wird, um eine frische Schmelze in der zweiten Hälfte des Verfahrens zu bilden. Auch sind die n₀-Schichtschmelze und das Erwärmungsprogramm von dem epitaxialen Verfahren, das in der letzteren Hälfte verwendet wird, um den p-n-Übergang zu bilden, getrennt, und als solche können die Schichtdicke und die anderen Wachstums bedingungen unabhängig eingestellt werden. Da die n₀-Schicht so eine epitaxiale Schicht ist, die zwischen das GaP-Sub strat und das epitaxiale Verfahren der letzteren Hälfte kommt, wird diese n₀-Schicht im nachfolgenden als eine Puffer-Schicht bezeichnet.

Insofern als die n₁-Schicht, die zum Beginn der letzteren Hälfte des epitaxialen Verfahrens wachsen gelassen wird, nicht auch zur Lichtemission beiträgt, entspricht die n₁- Schicht auch einer Pufferschicht. Jedoch ist, da in dem Prozeß der letzteren Hälfte, in welchem die n₁-Schicht um faßt ist, das Wachstum durch das supergekühlte Wachstumsver fahren stattfindet, die Summendicke der epitaxialen Schich ten konstant. So hat, anders als in dem Fall der n₀-Schicht, die Änderung der Dicke der n₁-Schicht eine darauf bezogene Änderung der Dicke der n₂-Schicht und der p-Schicht zur Folge. Auch wird die Temperatur, bei welcher das Wachstum der n₁-Schicht abgeschlossen ist, die Wachstumsstarttempera tur der n₂-Schicht, das heißt, der aktiven Schicht. Da die n₁-Schicht-Wachstumsbedingungen so direkt die n₂-Schicht- Wachstumsbedingungen beeinflussen, ist streng genommen die n₁-Schicht von der n₀-Schicht verschieden, welche eine Puf ferschicht ist, und bildet einen Teil der aktiven Schicht. Gemäß der Offenbarung hat die Verwendung eines Verfahrens, das diese Pufferschicht vorsieht, eine Verbesserung von 0,4% oder mehr bezüglich der Emissionseffizienz der aktiven Schicht zur Folge. Jedoch ist es basierend nur darauf schwie rig, eine Licht emittierende GaP-Diode zu realisieren mit einer hinreichend hohen Elektrolumineszenzeffizienz für den Freiluftgebrauch.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen epitaxia len Aufbau für eine Licht emittierende GaP-Diode mit hoher Elektrolumineszenzeffizienz zu schaffen, mit einer verbesser ten Pufferschicht und einer verringerten EPD auf der Oberflä che, auf welcher die aktive Schicht gebildet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Um das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Er findung einen epitaxialen Aufbau für eine Licht emittierende GaP-Diode, mit einem GaP-Einzelkristallsubstrat des n-Typus, einer Vielzahl von Schichten, die auf dem Einzelkristall substrat epitaxial gewachsen sind, um eine Pufferschicht zu bilden, in welcher die Vielzahl von Schichten eine geringere Ätzgrubendichte als eine Ätzgrubendichte des Einzelkristall substrates aufweist und die Ätzgrubendichte mit jeder oberen Schicht abnimmt, und einer aktiven GaP-Schicht, die auf der Pufferschicht gebildet ist.

So umfaßt diese Erfindung, daß zwischen das Einzelkristall substrat und die aktive Schicht eine plurale Pufferschicht mit einer sequentiell abnehmenden Ätzgrübchendichte zwischen gesetzt wird. Eine erste Pufferschicht einer vorgeschriebe nen Dicke wird epitaxial auf dem Einzelkristallsubstrat wach sen gelassen, die Schmelze und das Substrat werden getrennt und die nächste Pufferschicht wird epitaxial auf der vorher gehenden Pufferschicht wachsen gelassen, und auf diese Weise wird eine Pufferschicht, die aus einer Vielzahl von Schich ten zusammengesetzt ist, auf dem Substrat wachsen gelassen. Dann wird der Licht emittierende Aufbau auf der Puffer schicht wachsen gelassen. Es gibt daher eine sequentielle Ab nahme in der Propagation bzw. Fortpflanzung von Substratkri stalldefekten in der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten Pufferschicht und zwischen der ersten Puffer schicht und einer folgenden Pufferschicht, was eine Bildung einer Pufferschichtoberfläche mit einer EPD zur Folge hat, die von einem Drittel bis zu einem Fünftel der EPD des Sub strates verringert ist. Das Wachsenlassen eines Licht emittierenden GaP-Aufbaus auf einer derartigen Oberfläche hat eine Licht emittierende GaP-Diode zur Folge mit einer merklich verbesserten Emissionseffizienz.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnungen erklärt; in dieser zeigt

Fig. 1 ein EPD-Profil des Substrates und der Puffer schicht des epitaxialen Aufbaus für eine Licht emittierende GaP-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Trägerkonzentrationsprofil des Substra tes und der Pufferschicht des epitaxialen Aufbaus für eine Licht emittierende GaP-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 die Beziehung zwischen der Substrat-EPD und der Emissionseffizienz des Licht emittieren den Aufbaus, der auf dem Substrat wachsen gelassen wird;

Fig. 4 ein Profil der EPD an einer Pufferschicht einer Licht emittierenden GaP-Diode,

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Emissionseffi zienz und der Trägerkonzentration in der Puf ferschicht einer Licht emittierenden GaP-Dio de,

Fig. 6 die Beziehung zwischen der Menge des Si-Do tierungsmittels und dem Pufferschichtträger konzentrationsprofil einer Licht emittieren den GaP-Diode und

Fig. 7 zeigt die Resultate eines Vergleichs zwi schen der Elektrolumineszenzeffizienz des Licht emittierenden Aufbaus von Zweischicht pufferaufbausubstraten gemäß dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfin dung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Für eine detaillierte Untersuchung hinsichtlich des Effektes einer Pufferschicht in einem epitaxialen Aufbau für eine Licht emittierende GaP-Diode, der durch das obenerwähnte Ver fahren erzeugt wird, in welchem die EPD erniedrigt ist, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die Änderungen der EPD einer Pufferschicht gemessen, die graduell in der Dicke verringert ist. Die Resultate sind durch Fig. 4 darge stellt, aus welcher es gesehen werden kann, daß es eine scharfe Abnahme hinsichtlich der EPD bei der Grenzfläche zwi schen einer epitaxial gebildeten Pufferschicht und dem Sub strat gab, während es nahezu keine Verringerung hinsichtlich der EPD innerhalb der Pufferschicht gab.

Die Beziehung zwischen der Trägerkonzentration der Puffer schicht und der Emissionseffizienz einer Licht emittierenden Diode, die mit der Pufferschicht versehen war, wurde dann untersucht. Für den Zweck dieser Untersuchung wurde Si als das Pufferschichtdotiermittel verwendet und die Puffer schicht wurde durch das Flüssigphasenepitaxialwachstumsver fahren wachsen gelassen. Die Pufferschichtdicke betrug nähe rungsweise 100 µm. Das Standardflüssigphasenepitaxialwachs tumsverfahren wurde verwendet, um einen Licht emittierenden Aufbau auf einem Substrat wachsen zu lassen, das mit der Puf ferschicht versehen war. Wie durch Fig. 5 gezeigt, betrug der Maximalwert der Emissionseffizienz 0,8 oder darüber bei einem Pufferschichtträgerkonzentrationsbereich von ab 0,5 × 10¹⁷ cm^-3 bis 6 × 10¹⁷ cm^-3.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß es eine negative Korrelation zwischen der Substrat-EPD von Fig. 3 und der Emissionseffizienz der aktiven Schicht gibt, die auf diesem Substrat wachsen gelassen wird, bedeuten die Resultate von Fig. 5 nicht, daß die EPD abnimmt, wenn es eine Abnahme der Trägerkonzentration der Pufferschicht gibt, sondern daß die EPD des Pufferschichtbereiches den Minimalwert relativ zu der Trägerkonzentration des Pufferschichtbereiches aufweist. Im allgemeinen ist es verständlich, daß ein Anstieg der Trä gerkonzentration von einer Verschlechterung der Kristallini tät und einem Anstieg der EPD begleitet wird. Jedoch kann dies alleine nicht erklären, warum die EPD ansteigt, wenn die Trägerkonzentration niedriger als der optimale Wert ist. Der vorliegende Erfinder hat daher die Trägerkonzentrations profile in der Pufferschicht gemessen, wenn die Menge des Si-Dotierungsmittels, das in die Schmelze geladen wurde, während des Pufferschichtwachstumsprozesses geändert wird. Der Verteilungskoeffizient des Si in dem GaP nahm zu, wenn die Wachstumstemperatur abnahm, daß heißt, mit dem Fort schreiten des epitaxialen Wachstums. Als eine Folge wird das Fortschreiten des Wachstums durch eine Pufferschichtträger konzentration begleitet, die in Richtung auf die Oberfläche ansteigt. Das Maß des Anstiegs wird durch die Menge des hin zugefügten Si-Dotierungsmittels beeinflußt, wobei eine größe re Rate des Anstiegs (das heißt die steileren Neigungen von Fig. 6) mit dem Abfall bezüglich der Trägerkonzentration zu Beginn des Wachstums der Pufferschicht gezeigt wird, wie in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 6 bedeutet das Symbol AUSGEFÜLLTES DREIECK in dem Fall von 1,5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Trägerkonzentration von näherungsweise 0,4 × 10¹⁷ cm^-3 direkt nach dem Beginn des epitaxialen Wachstums, und eine Trägerkonzentration von näherungsweise 1 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Oberfläche einer Pufferschicht von ungefähr 100 µm. Das Symbol AUSGEFÜLLTER PUNKT deutet in dem Fall von 2,5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Trägerkonzentration von näherungsweise 1,3 × 10¹⁷ cm^-3 an der Substratgrenzfläche an, während die Trägerkonzentration bei der Oberfläche der Pufferschicht näherungsweise 1,5 × 10¹⁷ cm^-3 beträgt. Das Symbol HOHLES VIERECK deutet in dem Fall von 5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Trägerkonzentration von um 20 × 10¹⁷ cm^-3 direkt nach dem Beginn des epitaxialen Wachstums an und keine Änderung bezüglich der Trägerkonzentration selbst mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstumsverfahrens. Da raus kann es gesehen werden, daß die niedrige Emissionseffi zienz (das heißt hohe EPD), bei einer Trägerkonzentration, die geringer als eine optimale Trägerkonzentration in der Pufferschicht ist, wie in Fig. 5, durch die steile Neigung der Trägerkonzentration in der epitaxial gewachsenen Pufferschicht verursacht wird.

Der Grund, warum die EPD ansteigt, wenn es eine große Ände rung der Pufferschichtträgerkonzentration gibt, wird nun er klärt werden. Es ist in dem Gebiet der Metallurgie allgemein bekannt, daß die Härte von Kristallen abhängig von dem Typus und der Konzentration der Verunreinigungen (entsprechend hier den Dotierungsmitteln), die in den Kristallen enthalten sind, variiert. Es ist bekannt, daß das Zufügen von Si zu GaP den GaP-Kristall härtet. Jedoch verschlechtert, während eine graduelle Änderung der Si-Konzentration in epitaxial gewachsenen Schichten die Kristallinität nicht beeinflußt, eine große Änderung die Kristallinität und erhöht die Ober flächen-EPD. Dieses Phänomen ist aus den Resultaten der For schung in geneigten Schichten in beanspruchten Gittersyste men ("strained lattice systems") gut bekannt. Jedoch verur sacht die diskontinuierliche Änderung bezüglich der Verun reinigungskonzentration bei Grenzflächen zwischen epitaxia len Schichten eine diskontinuierliche Änderung bezüglich der Härte des GaP-Kristalls und hat so den Effekt des Unter brechens der Propagation von Kristalldefekten.

Aus den obigen Resultaten wurde es klar, daß die Ursache der Abnahme bezüglich der EPD durch die Pufferschicht nicht das Wachstum der Pufferschicht ist, sondern die Differenz bezüg lich der Trägerkonzentration bei der Grenzfläche mit einer anderen epitaxial gewachsenen Schicht, die vorgesehen ist, um zu der Pufferschicht beizutragen, welche, indem sie die Propagation von Kristalldefekten aus dem Substrat (oder der Basisepitaxialschicht) verhindert, die EPD verringert.

Im Hinblick darauf kann es gesehen werden, daß die EPD ver ringert werden kann, indem eine höhere Trägerkonzentration für die Pufferschicht verwendet wird, was das Trägerkonzen trationsdifferential zu der n-Schicht, die darauf gebildet ist, erhöht. Jedoch ist, wie erwähnt, ein Anstieg bezüglich der Trägerkonzentration von einer Verschlechterung bezüglich der Pufferschichtkristallinität begleitet, was die Elektrolu mineszenzeffizienz der Licht emittierenden Endprodukt-Diode verringert. Im Kontrast dazu würde es auch möglich erschei nen, das Trägerkonzentrationsdifferential bei der Grenzflä che zwischen dem Substrat und der Pufferschicht zu erhöhen, indem die Trägerkonzentration der Pufferschicht erniedrigt wird. Jedoch würde dies, wie mit Bezug auf Fig. 6 erklärt, die Größe der Trägerkonzentrationsänderung in der Puffer schicht erhöhen, wodurch die EPD erhöht wird und die Elektro lumineszenzeffizienz erniedrigt wird. Eine weitere Abnahme der Trägerkonzentration in der Umgebung der Grenzfläche zwi schen dem Substrat und der Pufferschicht wird eine Zunahme des elektrischen Widerstandswertes in dem Bereich verursa chen, was zur Folge hat, daß die Vorwärtsspannung der Licht emittierenden Diode zu einem unpraktisch hohen Niveau ange hoben wird.

Die epitaxiale Struktur für eine Licht emittierende GaP-Dio de gemäß der vorliegenden Erfindung wurde basierend auf einer Betrachtung der oben erwähnten Untersuchungspunkte per fektioniert und umfaßt ein GaP-Einzelkristallsubstrat des n-Typus, auf welchem eine Vielzahl von n-Typus-GaP-Schichten wachsen gelassen wurden, die eine Pufferschicht bilden, in welcher die Pufferschicht eine geringere Ätzgrübchendichte als die Ätzgrübchendichte des Einzelkristallsubstrates auf weist und die Ätzgrübchendichte der Pufferschicht sequen tiell von Schicht zu Schicht und einer aktiven GaP-Schicht, die auf der Pufferschicht gebildet ist, abnimmt.

Spezifischer werden, von der Vielzahl von Pufferschichten, die auf dem Einzelkristallsubstrat wachsen gelassen werden, die Probleme, die oben beschrieben sind, gelöst, und das epitaxiale Kristall mit einem geringen EPD wird erhalten, indem eine erste Pufferschicht wachsen gelassen wird, die durch eine GaP-Schicht des n-Typus näherungsweise 100 µm dick gebildet ist, die wachsen gelassen wurde unter Verwen dung einer Trägerkonzentration zu Beginn des Wachstums von (0,5 bis 3) × 10¹⁷ cm^-3, und dann auf der ersten Puffer schicht eine zweite Pufferschicht wachsen gelassen wurde, die durch eine GaP-Schicht des n-Typus gebildet wurde, die näherungsweise 100 µm dick war, die unter Verwendung einer Trägerkonzentration zu Beginn der Bildung von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 wachsen gelassen wurde. Indem dann ein Licht emit tierender GaP-Aufbau auf diesem epitaxialen Kristall wachsen gelassen wurde, konnte eine hohe Emissionseffizienz reali siert werden. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung kann, selbst wenn ein GaP-Einzelkristallsubstrat kommerzieller Qualität verwendet wird, mit einem EPD von zum Beispiel 7,6 × 10⁴ cm^-2, ein epitaxiales Substrat, das mit einer Puffer schicht versehen ist, die durch Kristalldefekte wenig beein flußt ist, erhalten werden, indem zumindest zwei Puffer schichten wachsen gelassen werden, so daß eine scharfe Abnah me bezüglich der EPD in der Umgebung der Oberflächen vor liegt, die so gebildet sind. Indem dann eine aktive Schicht auf diesem epitaxialen Substrat mit einer niedrigen EPD wach sen gelassen wird, kann ein Licht emittierender GaP-Aufbau mit einer hohen Emissionseffizienz realisiert werden.

Das GaP-Substrat, das für den Zweck dieser Erfindung verwen det wird, kann ein Einzelkristallsubstrat von Standardkri stallqualität mit einer Trägerkonzentration des n-Typus von (0,5 bis 10) × 10¹⁷ cm^-3 und einer EPD von (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2 sein. Wie beschrieben, werden die pluralen GaP-Puffer schichten des n-Typus auf dem GaP-Einzelkristallsubstrat wachsen gelassen. Der epitaxialen Schicht, die die erste Pufferschicht bildet, wird eine anfängliche Trägerkonzentra tion von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 verliehen. Als das Dotie rungsmittel, das verwendet wird, um die Schicht als einen n-Typus wachsen zu lassen, ist Si das am einfachsten zu Verwendende. Mit Si als dem Dotierungsmittel steigt die Trägerkonzentration mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstumsverfahren graduell an. Zum Beginn des Wachstums verfahrens ist die EPD ungefähr die gleiche wie jene des Substrates, ungefähr (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2. Jedoch nimmt, wenn das epitaxiale Wachstum fortschreitet, die EPD scharf ab, fällt zu ungefähr 5 × 10⁴ cm^-2 zu der Zeit, zu der die epitaxiale Schicht eine Dicke von 40 µm erreicht hat und bleibt dann mehr oder weniger dieselbe. Um diese geringe EPD sicherzustellen und unter Berücksichtigung des Rückschmel zens zu Beginn der epitaxialen Bildung der zweiten Puffer schicht, muß die erste Pufferschicht nicht weniger als 50 µm dick sein und sollte vorzugsweise um 100 µm dick sein.

Eine zweite Pufferschicht wird dann auf der ersten Puffer schicht des GaP-Substrates wachsen gelassen. Unter Verwen dung von Si als dem Dotierungsmittel wird der Schmelze, die für die epitaxiale Bildung der zweiten Pufferschicht verwen det wird, eine anfängliche Trägerkonzentration von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 verliehen, dieselbe wie jene, die zum Bilden der ersten Pufferschicht verwendet wird. Trägerkonzentra tionen werden eingestellt, um ein Differential von (0,5 bis 2) × 10¹⁷ cm^-3 bei der Grenzfläche der ersten und zweiten Pufferschichten zu erzeugen, um sicherzustellen, daß die EPD-Fortpflanzung durch die Trägerkonzentrationsdiskontinui tät und dergleichen unterbrochen ist, wie oben beschrieben. Der Defektpropagationsverhinderungseffekt wird nicht ausge wiesen, wenn das Trägerkonzentrationsdifferential 0,5 × 10¹⁷ cm^-3 oder kleiner ist, während es mit einem Differential von 2 × 10¹⁷ cm^-3 oder mehr schwierig wird, die Trägerkonzen tration der zweiten Pufferschicht innerhalb des richtigen Bereiches zu halten.

Wenn die zweite Pufferschicht so wachsen gelassen wird wie oben beschrieben, beträgt zu Beginn des Wachstumsverfahrens die EPD der zweiten Pufferschicht ungefähr 5 × 10¹⁷ cm^-2, ungefähr dieselbe wie jene der ersten Pufferschicht, und nimmt mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstums scharf ab, die EPD nimmt scharf ab, fällt zu ungefähr 2 × 10⁴ cm^-2 zu der Zeit, zu der die epitaxiale Schicht eine Dicke von 40 µm erreicht hat, und bleibt danach mehr oder weniger die gleiche. Die zweite Pufferschicht muß nicht weniger als 40 µm dick sein und sollte vorzugsweise nicht weniger als 60 µm dick sein. Wenn die Verringerung bezüglich der EPD nicht hinreichend ist, wird eine dritte Pufferschicht auf der zweiten Pufferschicht gebildet.

Das Wiederholen dieser Operation ermöglicht das Wachstum von epitaxialen Schichten mit einer graduell abnehmenden EPD. Je doch ist es ökonomisch nachteilig, die Anzahl von Operatio nen in dem Versuch zu erhöhen, eine graduelle Abnahme des Maßes der EPD-Verringerung zu überwinden.

So macht es das Wachsenlassen einer Pufferschicht, die aus zumindest zwei Schichten zusammengesetzt ist, möglich, daß eine EPD von (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2 bei dem GaP-Substrat auf 2 × 10⁴ cm^-2 bei der Oberfläche der Pufferschicht verringert wird, eine Verringerung von einem Drittel zu einem Fünftel. Die Bildung eines aktiven Schichtaufbaus auf dieser Kristall oberfläche mit niedrigem EPD macht es möglich, eine LED mit hoher Elektrolumineszenzeffizienz zu erhalten.

Der gleiche aktive Schichtaufbau wie jener, der in herkömm lichen Licht emittierenden GaP-Dioden verwendet wird, kann verwendet werden, und kann durch ein anderes epitaxiales Wachstumsverfahren wachsen gelassen werden, das auf das GaP- Epitaxialsubstrat angewendet wird, auf welchem die plurale Pufferschicht wachsen gelassen worden ist. Für eine grüne LED kann ein GaP-p-n-Übergang gebildet werden unter Verwen dung von Stickstoff, der in eine GaP-Schicht des n-Typus dotiert wird, während für eine rote LED Sauerstoff und Zink in eine Schicht des p-Typus dotiert werden. Der p-n-Übergang wird auf der Pufferschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, gebildet, üblicherweise als Teil einer Reihe epitaxia ler Wachstumsprozeduren.

Die scharfe Abnahme bezüglich der EPD, die unmittelbar dem Start des epitaxialen Wachstumsverfahrens folgend auftritt, wird verwendet, indem die plurale GaP-Pufferschicht auf dem GaP-Einzelkristallsubstrat gebildet wird, um einen epitaxia len Kristall mit einer geringen EPD zu erhalten. Die aktive Schicht wird dann auf der Pufferschicht gebildet, was eine LED mit einer hohen Elektrolumineszenzeffizienz zur Folge hat. Im Ausdruck der Trägerkonzentration der pluralen Puffer schicht beträgt die Gesamtträgerkonzentration dieser Puffer schicht (0,5 bis 5) × 10¹⁷ cm^-3, ungefähr dieselbe wie eine Standard-GaP-Substrat-Trägerkonzentration. Wenn dies der Fall ist, ist die Vorwärtsspannung nicht wirksam. Die Ver wendung eines geeigneten Trägerkonzentrationsdifferentials hat den Effekt, die Härte des Kristalls kontinuierlich zu ändern, was hilft, die EPD zu verringern.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Ein GaP-Substrat des n-Typus wurde verwendet, mit einer Trägerkonzentration von 2,6 × 10¹⁷ cm^-3 und einer EPD von 7,6 × 10⁴ cm^-2. Um die erste Pufferschicht zu bilden, wurde Polykristall-GaP in Ga-Metall bei 1000°C ge sättigt und die Temperatur wurde zu 1030°C erhöht, um eine Schmelze zu bilden, zu welcher 25 mg Si pro 1000 g Ga-Metall hinzugefügt wurde. Die Schmelze wurde zu 1000°C gekühlt und auf das GaP-Substrat eingeführt, um das epitaxialen Wachstum zu starten. Das Wachstum fand in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Kühlrate von 2,5°C/min. statt. Als die Temperatur 700°C erreichte, wurde die Schmelze von dem Substrat ge trennt, was das epitaxiale Wachstum der ersten Pufferschicht abschloß.

Wie in dem Fall der ersten Pufferschicht wurde das Wachstum der zweiten Pufferschicht mit der Vorbereitung einer Schmel ze begonnen, welche zu 1030°C erwärmt, zu 1000°C gekühlt wurde und auf das Substrat eingeführt wurde, das mit der ersten Pufferschicht versehen war, um das epitaxiale Wachs tum zu starten. Die Kühlungsrate und die Atmosphäre waren die gleichen wie in dem Fall der ersten Wachstumsschicht. Als die Temperatur 700°C erreichte, wurde die Schmelze von dem Substrat getrennt, was das epitaxiale Wachstum der zweiten Pufferschicht abschloß.

Das oben beschriebene Verfahren wurde so verwendet, um ein epitaxiales Substrat mit zwei Si-dotierten Pufferschichten auf einem GaP-Substrat des n-Typus zu bilden. Das EPD-Pro fil des so wachsen gelassenen Epitaxialsubstrates ist wie in Fig. 1 gezeigt. Die EPD des Substrates lag in dem Bereich von 7,6 × 10⁴ cm^-2, jene der ersten Pufferschicht lag um 5,5 × 10⁴ cm^-2 und jene der zweiten Pufferschicht betrug um 2,3 × 10⁴ cm^-2. Fig. 2 ist das Trägerkonzentrationsprofil der Substrat- und Pufferschichten, wobei gezeigt ist, daß die Trägerkonzentration des GaP-Substrates in dem Bereich von 4,0 × 10¹⁷ cm^-3 lag. Die erste Pufferschicht, die auf dem Substrat wachsen gelassen wurde, war näherungsweise 115 µm dick. Die Trägerkonzentration der ersten Pufferschicht be trug 3 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Grenzfläche mit dem Substrat und stieg graduell zu 4,5 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umge bung der Oberfläche der ersten Pufferschicht an. Die Träger konzentration in der zweiten Pufferschicht betrug 3 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Grenzfläche zu der ersten Puffer schicht und stieg graduell zu 4,5 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umge bung der Oberfläche der zweiten Pufferschicht an. In dem Substrat, das mit der Pufferschicht versehen war, wie oben beschrieben, gibt es eine scharfe Abnahme bezüglich der EPD über die Grenzfläche mit dem Substrat und über die Grenz fläche zwischen den ersten und zweiten Pufferschichten. Es wird enthüllt, daß bei der Oberfläche der zweiten Puffer schicht die EPD zu einem Drittel oder weniger der EPD bei dem GaP-Substrat abgenommen hat.

Das Verfahren, daß der Licht emittierende Aufbau auf der Puf ferschicht wachsen gelassen wird, die auf dem Einzelkristall substrat gebildet ist, wird nun beschrieben werden. Poly kristall-GaP wurde zu Ga-Metall in einer Menge derart hinzu gefügt, daß die einzurahmende Schmelze bei 800°C gesättigt ist, und die Temperatur wurde auf 1000°C erhöht, um eine Schmelze zu bilden. Unter Halten der Temperatur bei 1000°C wurde die Schmelze auf das Substrat eingeführt, auf welcher die Pufferschicht wachsen gelassen wurde. Bei 1000°C befin det sich die Schmelze in einem ungesättigten Zustand, so daß dies ein Rückschmelzen der Pufferschicht auf dem Substrat verursachte, wodurch die Schmelze mit Si aus der Puffer schicht versorgt wurde. Bei dieser Stufe wurde satturiertes GaP-Metall, das Si enthielt, mit dem Substrat in Kontakt gebracht.

Das Wachstumssystem wurde dann mit 2,5°C/min abgekühlt, was das epitaxiale Wachstum einer GaP-Schicht des n-Typus star tete. Als die Temperatur 960°C erreichte, wurde Ammoniakgas zu dem Wachstumsystem hinzugefügt, was das Wachstum einer stickstoffdotierten aktiven Schicht erzeugte. Es ist be kannt, daß Stickstoff, der durch die Zersetzung des Ammoniak gases erzeugt wird, von der GaP-Epitaxialschicht aufgenommen wird, was den Emissionskern bildet und, indem das Si auch in der Schmelze eingefangen wird, den Effekt hat, daß die Trä gerkonzentration in der aktiven Schicht verringert wird und die Elektrolumineszenzeffizienz erhöht wird.

Wenn die Bildungstemperatur 900°C erreicht, wird Zinkdunst bzw. -dampf, der durch Einführen von Zinkmetall zu einer Dunstquelle (750°C) erzeugt wird, in das Wachstumssystem ein geführt. Dies fügt der Schmelze Zink zu, was das Wachstum einer GaP-Schicht des p-Typus bei und unterhalb 900°C zur Folge hat. Wenn die Temperatur 700°C erreicht, wird die Schmelze von dem Substrat getrennt, was das epitaxiale Wachs tumsverfahren beendet. Auf diese Weise wird eine zinkdotier te GaP-Schicht des p-Typus auf einer GaP-Schicht des n-Typus wachsen gelassen, die Stickstoff enthält.

Fig. 7 zeigt die Emissionseffizienz einer Licht emittie renden GaP-Diode, die so hergestellt ist, verglichen zu der Emissionseffizienz einer LED, die durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt ist. Aus Fig. 7 kann es gesehen wer den, daß die Verwendung eines Zwei-Schicht-Pufferaufbaus die Elektrolumineszenzeffizienz um ungefähr 20% verbessert, ver glichen zu einer herkömmlichen Licht emittierenden Diode. Indem eine multiple Pufferschichtstruktur in Übereinstimmung mit dieser Erfindung verwendet wird, ist es möglich, die EPD selbst dann zu erniedrigen, wenn ein GaP-Substrat von nur herkömmlicher Kristallqualität verwendet wird. Daher ist es möglich, Epitaxialkristalle mit guter Qualität in einer akti ven Schicht zu erhalten, die auf einem derartigen Substrat wachsen gelassen wird, wodurch verbesserte LED-Elektrolu mineszenzeffizienz erreicht wird. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere wirksam, wenn sie auf grüne LEDs angewendet wird, in welchen hohe Elektrolumineszenzeffizienz bis jetzt unmöglich zu erreichen gewesen ist. Als solche hat die vor liegende Erfindung praktische Anwendbarkeit auf Freiluftan zeigen.

Claims

1. Epitaxialstruktur für eine Licht emittierende GaP-Diode, mit:
einem GaP-Einzelkristallsubstrat des n-Typus,
einer Vielzahl von Schichten, die auf dem Einzelkri stallsubstrat epitaxial wachsen gelassen sind, um eine Pufferschicht zu bilden, in welcher jede der Vielzahl von Schichten eine niedrigere Ätzgrubendichte als eine Ätzgrubendichte des Einzelkristallsubstrates aufweist und die Ätzgrubendichte mit jeder oberen Schicht abnimmt,
einer aktiven GaP-Schicht, die auf der Puffer-Schicht wachsen gelassen wird.

2. Epitaxialer Aufbau nach Anspruch 1, worin die Puffer schicht eine erste Pufferschicht und eine zweite Puffer schicht umfaßt.

3. Epitaxialer Aufbau nach Anspruch 2, worin die erste Pufferschicht eine Ätzgrubendichte von (2 bis 5) × 10⁴ cm^-2 aufweist und die zweite Pufferschicht eine Ätzgru bendichte von (1 bis 3) × 10⁴ cm^-2 aufweist.

4. Epitaxialer Aufbau nach Anspruch 2 oder 3, worin die ersten und zweiten Pufferschichten jede eine Trägerkon zentration von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 aufweisen.

5. Epitaxialer Aufbau nach Anspruch 2 oder 4, worin die Trä gerkonzentration der ersten und zweiten Pufferschichten von dem Substrat in Richtung auf die Oberfläche gehend ansteigt.

6. Epitaxialer Aufbau nach Anspruch 2 oder 4, worin es ein Trägerkonzentrationsdifferential von (0,5 bis 2) × 10¹⁷ cm^-3 zwischen den ersten und zweiten Pufferschichten gibt.

7. Epitaxialer Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin Si ein Pufferschichtdotierungsmittel ist.